ES2613669T3 - Switching circuit breaker - Google Patents
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Abstract
Un disyuntor de conmutacion (100) para uso en un circuito electrico que define una linea electrica, en donde la corriente fluye a traves del disyuntor de conmutacion (100) cuando esta en un estado encendido, comprendiendo el disyuntor de conmutacion (100): un estator (107) que tiene uno o mas electrodos de estator (105, 115); una lanzadera (109) que tiene uno o mas electrodos de lanzadera, pudiendo moverse la lanzadera (109) con respecto al estator (107) y estando configurada de tal manera que durante tal movimiento los electrodos de lanzadera se deslizan contra los electrodos de estator (105, 115); y un sistema de lanzamiento (119, 121) dispuesto para mover la lanzadera (109) con respecto al estator (107) entre una posicion de estado encendido donde el disyuntor de conmutacion (100) presenta una resistencia electrica relativamente baja en el circuito electrico, y una posicion abierta donde el disyuntor de conmutacion (100) presenta una resistencia electrica muy alta en el circuito electrico; caracterizado por que al menos uno de los electrodos de estator (105, 115) y de los electrodos de lanzadera tiene una resistividad creciente a lo largo de su longitud, con una resistividad mayor en un borde trasero que comprende una parte de un electrodo que toca a otro electrodo cuando la lanzadera (109) se mueve en relacion al estator (107); y hay un numero de resistencias (111, 112, 113) acopladas electricamente a uno o ambos de entre el estator (107) y la lanzadera (109); en donde, cuando la lanzadera (109) se mueve entre la posicion de estado encendido y la posicion abierta, la corriente que fluye a traves del disyuntor de conmutacion (100) se deriva en lineas de resistencia creciente, incluyendo las lineas las resistencias (111, 112, 113).A switching circuit breaker (100) for use in an electrical circuit that defines an electrical line, where current flows through the switching circuit breaker (100) when it is in an on state, comprising the switching circuit breaker (100): a stator (107) having one or more stator electrodes (105, 115); a shuttle (109) having one or more shuttle electrodes, the shuttle (109) being able to move relative to the stator (107) and being configured such that during such movement the shuttle electrodes slide against the stator electrodes ( 105, 115); and a launch system (119, 121) arranged to move the shuttle (109) with respect to the stator (107) between an on state position where the switching circuit breaker (100) has a relatively low electrical resistance in the electrical circuit, and an open position where the switching circuit breaker (100) has a very high electrical resistance in the electrical circuit; characterized in that at least one of the stator electrodes (105, 115) and the shuttle electrodes has an increasing resistivity along its length, with a higher resistivity at a rear edge comprising a part of a touching electrode to another electrode when the shuttle (109) moves relative to the stator (107); and there are a number of resistors (111, 112, 113) electrically coupled to one or both of the stator (107) and the shuttle (109); where, when the shuttle (109) moves between the on position and the open position, the current flowing through the switching circuit breaker (100) is derived in lines of increasing resistance, including the resistance lines (111 , 112, 113).
Description
la resistencia en sí se acelera para alcanzar la apertura del circuito y los electrodos de estátor se mueven sobre la superficie de la resistencia. La cápsula de la figura 2 está compuesta por una parte inferior conductora 129, una parte superior aislante 133 y una parte de manguito aislante 135. Dicha cápsula proporciona un sitio de anidamiento para una resistencia en forma de disco 127 (o 137, 138, 139, 140, o 141, como se muestra en la figura 3) que está 5 unido por un adhesivo conductor 131 a la parte inferior de la cápsula 129. El adhesivo conductor 131 es deseablemente un compuesto de soldadura fuerte de metal, una soldadura o un adhesivo conductor que es menor en resistividad de volumen que el material resistivo que comprende una resistencia de disco 127. Dicha parte inferior de la cápsula 129 es metálica y tiene un reborde de metal que se extiende parcialmente hacia arriba a lo largo, pero a cierta distancia de los lados de la resistencia de disco 127, 137, 138, 139, 140 o 141. Por encima y adyacente a la parte de metal de la cápsula 129 y extendiéndose hasta casi el mismo radio exterior que la parte de metal de la cápsula 129 está una sección eléctricamente aislante 133. Entre el radio interior común del reborde superior de la parte de metal de la cápsula 129 y la parte superior aislante de la cápsula 133 y el radio exterior de la resistencia de disco 127, 137, 138, 139, 140 o 141, se inserta un manguito aislante 135; este manguito garantiza que la corriente fluya verticalmente desde la parte superior a la parte inferior de cada resistencia, de tal manera que la generación de the resistance itself is accelerated to reach the opening of the circuit and the stator electrodes move on the surface of the resistance. The capsule of Fig. 2 is composed of a conductive lower part 129, an insulating upper part 133 and an insulating sleeve part 135. Said capsule provides a nesting site for a disk-shaped resistor 127 (or 137, 138, 139 , 140, or 141, as shown in Figure 3) which is attached by a conductive adhesive 131 to the bottom of the capsule 129. The conductive adhesive 131 is desirably a metal solder compound, a weld or a conductive adhesive that is smaller in volume resistivity than the resistive material comprising a disk resistance 127. Said lower part of the capsule 129 is metallic and has a metal flange that extends partially upwardly along, but at a certain distance of the sides of the disk resistor 127, 137, 138, 139, 140 or 141. Above and adjacent to the metal part of the capsule 129 and extending to almost the same outer radius as the metal part of l A capsule 129 is an electrically insulating section 133. Between the common inner radius of the upper flange of the metal part of the capsule 129 and the insulating upper part of the capsule 133 and the outer radius of the disk resistor 127, 137, 138 , 139, 140 or 141, an insulating sleeve 135 is inserted; This sleeve ensures that the current flows vertically from the top to the bottom of each resistor, such that the generation of
15 calor resistivo I2R se distribuye a lo largo de todo el volumen de la resistencia de disco tal como 127. Las resistencias (127, 137, 138, 139, 140 o 141) se encapsulan en seis cápsulas conteniendo cada una unos componentes 129, 131, 133 y 135 con un sistema polimérico aislante libre de huecos (como se practica comúnmente, por ejemplo, en los transformadores encapsulados) para formar la celda de resistencia final encapsulada, como en la figura 2. The resistive heat I2R is distributed along the entire volume of the disk resistance such as 127. The resistors (127, 137, 138, 139, 140 or 141) are encapsulated in six capsules each containing components 129, 131 , 133 and 135 with a hollow-free insulating polymeric system (as commonly practiced, for example, in encapsulated transformers) to form the encapsulated final resistance cell, as in Figure 2.
A continuación, se apilan seis celdas de resistencia similar a la mostrada en la figura 2 como en la figura 3 para formar la base de un estátor; la totalidad de la pared radial exterior de cada cápsula y todo el estátor formado apilando las cápsulas más una celda superior especial es una superficie deslizante concéntrica que es lisa. La celda de resistencia inferior contiene la resistencia de disco 127; la celda siguiente hacia arriba contiene la resistencia de Next, six resistance cells similar to that shown in Figure 2 are stacked as in Figure 3 to form the base of a stator; The entire outer radial wall of each capsule and the entire stator formed by stacking the capsules plus a special upper cell is a concentric sliding surface that is smooth. The lower resistance cell contains the disk resistance 127; the next cell up contains the resistance of
25 disco 137; la celda siguiente contiene la resistencia de disco 138; la celda siguiente contiene la resistencia de disco 139; la celda siguiente contiene la resistencia de disco 140; la celda siguiente contiene la resistencia de disco 141; los niveles de resistividad de cada resistencia de disco aumentan en el orden 127 < 137 < 138 < 139 < 140 < 141. En la parte superior de la pila de celdas de resistencia hay una celda de resistencia de resistividad variable especial que difiere de las otras celdas en que está compuesta por una placa base de metal 145 y encima de la misma hay un elemento cermet (metalocerámico) de resistividad graduada 143 que tiene una resistividad en la parte inferior que es aproximadamente igual a la resistividad de la resistencia de disco 141, con una resistividad que aumenta hasta que es un aislante excelente en la parte superior, con una resistividad > 1012 ohmios-metro (ohmios-m). Todas estas celdas están unidas mecánica y eléctricamente entre sí, de tal manera que la base de metal de cada celda está unida a toda la superficie superior de la resistencia de disco por debajo de la misma en la pila. 25 disk 137; the next cell contains disk resistor 138; the next cell contains disk resistance 139; the next cell contains the disk resistor 140; the next cell contains the disk resistor 141; the resistivity levels of each disk resistor increase in the order 127 <137 <138 <139 <140 <141. At the top of the resistance cell stack there is a special variable resistivity resistor cell that differs from the other cells in which it is composed of a metal base plate 145 and on top of it there is a cermet element (metalloceramic) of graduated resistivity 143 which has a resistivity at the bottom that is approximately equal to the resistivity of the disk resistance 141, with a resistivity that increases until it is an excellent insulator at the top, with a resistivity> 1012 ohm-meter (ohm-m). All these cells are mechanically and electrically connected to each other, such that the metal base of each cell is attached to the entire upper surface of the disk resistor beneath it in the stack.
35 La figura 4 muestra cómo la pila de segmentos de resistencia de la figura 3 se combina con una lanzadera de conmutación 147, que en este caso toma la forma de un manguito metálico que encaja a lo largo de la columna de segmentos de resistencia, un anillo deslizante conductor 149 que está conectado al Polo A y a la lanzadera de conmutación 147, y una placa base conductora 151 que está conectada al Polo B para formar un disyuntor de conmutación. La figura 4 muestra un estado intermedio que se produce durante la apertura del disyuntor de conmutación de las figuras 2, 3, 4; en este estado intermedio tres celdas de resistencia que contienen las resistencias de disco 127, 137 y 138 están en un estado conectado en serie entre la lanzadera de conmutación móvil 147 y la base de la pila de resistencias 151. Obsérvese que la lanzadera de conmutación de manguito metálico 147 es menor en masa que la columna de segmentos de resistencia, y por lo tanto necesita menos fuerza 150 para 35 Figure 4 shows how the stack of resistance segments of Figure 3 is combined with a switching shuttle 147, which in this case takes the form of a metal sleeve that fits along the column of resistance segments, a conductive sliding ring 149 that is connected to the pole A and the switching shuttle 147, and a conductive base plate 151 that is connected to the pole B to form a switching circuit breaker. Figure 4 shows an intermediate state that occurs during the opening of the switching circuit breaker of Figures 2, 3, 4; in this intermediate state three resistance cells containing the disk resistors 127, 137 and 138 are in a state connected in series between the mobile switching shuttle 147 and the base of the resistance stack 151. Note that the switching shuttle of metallic sleeve 147 is smaller in mass than the column of resistance segments, and therefore needs less force 150 to
45 acelerar de lo que sería necesario para acelerar la pila de resistencias a la misma velocidad. La corriente fluye desde el Polo A hasta la lanzadera de conmutación móvil 147 a través del anillo deslizante 149 (en este caso toda la longitud de 147 es el electrodo de lanzadera). La conexión de la lanzadera de conmutación al Polo A también podría ser, en principio, a través de un cable. Cuando el disyuntor de conmutación de la figura 4 está cerrado, la corriente fluye con baja resistencia desde el Polo A a través del anillo deslizante 149, a continuación a través de la lanzadera de conmutación 147 a la parte de metal 129 en la parte inferior de la celda de resistencia más baja (que contiene el disco de resistencia 127), en el caso de estado encendido (no mostrado), la corriente fluye en su mayoría directamente en la placa base de metal 151 y en el Polo B, sorteando la resistencia de disco 127 (alguna pequeña corriente fluye todavía a través de la resistencia de disco 127). 45 accelerate than would be necessary to accelerate the resistance stack at the same speed. The current flows from the Pole A to the mobile switching shuttle 147 through the sliding ring 149 (in this case the entire length of 147 is the shuttle electrode). The connection of the switching shuttle to Pole A could also be, in principle, through a cable. When the switching circuit breaker of Figure 4 is closed, the current flows with low resistance from the Pole A through the sliding ring 149, then through the switching shuttle 147 to the metal part 129 at the bottom of the lowest resistance cell (which contains the resistance disk 127), in the case of the on state (not shown), the current flows mostly directly on the metal base plate 151 and on the B-pole, bypassing the resistance of disk 127 (some small current still flows through disk resistance 127).
55 Cuando se dispara el disyuntor de la figura 4, la lanzadera de conmutación 147 se acelera rápidamente hacia arriba, haciendo que la corriente pase primero a través de la resistencia 127, a continuación 127 + 137, a continuación 127 55 When the circuit breaker in Figure 4 is tripped, the switching shuttle 147 accelerates rapidly upward, causing the current to first pass through resistor 127, then 127 + 137, then 127
+ 137 + 138 (este es el estado ilustrado en figura 4), y así sucesivamente. La lanzadera de conmutación continúa moviéndose hacia arriba hasta que se ha movido más allá de la última parte de metal de la columna de la pila de resistencias 145 de la figura 3, después de lo cual la última corriente restante pequeña final se apaga mediante la celda de resistividad graduada 143. En la parte inferior de la lanzadera de conmutación 147 está un manguito semiconductor o aislante 153 que encaja estrechamente alrededor de la columna de resistencias para suprimir la formación del arco cuando la parte conductora de la lanzadera de conmutación 147 se separa de una de las partes de metal 129 encontradas en la parte inferior de cada cubierta de resistencia. Dicho manguito 153 es deseablemente semiconductor cuando toca la lanzadera de conmutación 147, pero tiene un gradiente de resistividad de tal manera + 137 + 138 (this is the state illustrated in figure 4), and so on. The switching shuttle continues to move upward until it has moved past the last metal part of the column of the resistor stack 145 of Figure 3, after which the last remaining small final current is turned off by the cell of graduated resistivity 143. At the bottom of the switching shuttle 147 is a semiconductor or insulating sleeve 153 that fits tightly around the resistance column to suppress arc formation when the conductive part of the switching shuttle 147 is separated from one of the metal parts 129 found at the bottom of each resistance cover. Said sleeve 153 is desirably semiconductor when it touches the switching shuttle 147, but has a resistivity gradient in such a manner.
65 que se convierte en un material de alta resistencia dieléctrica y alta resistividad (superior a 1012 ohmios) en el extremo opuesto (extremo inferior de la figura 4). Dicho manguito 153 puede fabricarse de varios materiales; una 65 which becomes a material of high dielectric strength and high resistivity (greater than 1012 ohms) at the opposite end (lower end of Figure 4). Said sleeve 153 may be made of various materials; a
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Las figuras 8 y 9 representan un disyuntor de conmutación simplificado con solo una zona de conmutación; estas representaciones simplificadas de una sola zona de conmutación con solo tres inserciones de resistencia antes de la apertura del circuito hacen que sean más fáciles de describir y tratar ciertos aspectos del disyuntor de conmutación. El disyuntor de conmutación de las figuras 8 y 9 tiene solo 5 niveles de resistencia primarios. La alimentación está Figures 8 and 9 represent a simplified switching circuit breaker with only one switching zone; These simplified representations of a single switching zone with only three resistance inserts before opening the circuit make them easier to describe and treat certain aspects of the switching circuit breaker. The switching circuit breaker of Figures 8 and 9 has only 5 primary resistance levels. The feed is
5 enlazada desde el Polo B a través de unos anillos rozantes 345 al electrodo de lanzadera 335, y desde allí a través de una serie de diferentes electrodos de estátor conectados a unas resistencias crecientes dadas aproximadamente por: 5 connected from Pole B through friction rings 345 to shuttle electrode 335, and from there through a series of different stator electrodes connected to increasing resistance given by approximately:
- 1. one.
- nivel de resistencia uno se muestra en la figura 8: la corriente fluye con una resistencia mínima a través del disyuntor. Resistance level one is shown in Figure 8: the current flows with a minimum resistance through the circuit breaker.
- 2. 2.
- nivel de resistencia dos: la corriente fluye principalmente a través del electrodo de estátor 322 y a continuación a través de la resistencia 332 hasta el Polo A opuesto del disyuntor. resistance level two: current flows mainly through the stator electrode 322 and then through resistance 332 to the opposite pole A of the circuit breaker.
- 3. 3.
- nivel de resistencia tres: la corriente fluye principalmente a través de electrodo de estátor 323 y a continuación a través de las resistencias 332 + 333 hasta el Polo A opuesto del disyuntor. resistance level three: current flows mainly through stator electrode 323 and then through resistors 332 + 333 to the opposite pole A of the circuit breaker.
15 4. nivel de resistencia cuatro: la corriente fluye principalmente a través de electrodo de estátor 324 y a continuación a través de las resistencias 332 + 333 + 334 hasta el Polo A opuesto del disyuntor. 4. Resistance level four: current flows mainly through stator electrode 324 and then through resistors 332 + 333 + 334 to the opposite pole A of the circuit breaker.
5. nivel de resistencia cinco es la condición de circuito abierto mostrada en la figura 9 en la que la resistencia total > 108 ohmios (véase la figura 9). 5. Resistance level five is the open circuit condition shown in Figure 9 in which the total resistance> 108 ohms (see Figure 9).
El accionamiento del disyuntor comienza con la lanzadera de conmutación 310 (compuesta de los componentes 311, 312, 335, 337, y 347) en el estado de circuito cerrado de la figura 8; la resistencia a través del disyuntor de conmutación en el caso de circuito cerrado es también conocida como la “resistencia en estado encendido” del disyuntor. La resistencia en el estado encendido del disyuntor de la figura 8 está comprendida en realidad de dos resistencias de componente R1 y R2 a través de circuitos paralelos: Circuit breaker operation begins with switching shuttle 310 (composed of components 311, 312, 335, 337, and 347) in the closed circuit state of Figure 8; The resistance across the switching circuit breaker in the case of a closed circuit is also known as the “resistance in the on state” of the circuit breaker. The resistance in the on state of the circuit breaker of Figure 8 is actually comprised of two resistors of component R1 and R2 through parallel circuits:
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- • •
- R1 es la resistencia del anillo rozante 345 + las resistencias conductoras 346 + 337 + la resistencia de contacto entre el electrodo de lanzadera 335 y el electrodo de estátor 321 + resistencia de cable conductor 331 R1 is the resistance of the friction ring 345 + the conductive resistors 346 + 337 + the contact resistance between the shuttle electrode 335 and the stator electrode 321 + conductor cable resistance 331
- • •
- R2 es la resistencia del anillo rozante 345 + las resistencias conductoras 346 + 337 + la resistencia de contacto entre el electrodo de lanzadera 335 y el electrodo de estátor 322 + la resistencia 332; R2 is the resistance of the friction ring 345 + the conductive resistors 346 + 337 + the contact resistance between the shuttle electrode 335 and the stator electrode 322 + the resistance 332;
el total de la resistencia en estado encendido viene dado a continuación por: The total resistance in the on state is given below by:
35 Por lo tanto, en general, cuando el electrodo de lanzadera 335 está tocando los dos electrodos de estátor, la resistencia real debería calcularse como una resistencia de línea paralela. En la condición de circuito cerrado en estado encendido, R2 >> R1 (debido a que R2 incluye la resistencia 332, la primera de una serie de resistencias insertadas); así que la mayoría de la corriente pasa a través de la línea de baja resistencia R1 y la resistencia total Rtotal es solo un poco menor que la resistencia a través de únicamente esta línea. Para hacer esto concreto, considérese el caso de una tensión normal de 1200 voltios, con una plena carga normal de 1200 amperios, y una pérdida de calor máxima basada en el diseño en el estado encendido debido a las pérdidas óhmicas (I2R) de 100 vatios; esto requiere que Rtotal en el caso de circuito cerrado (estado encendido) no puede ser más de 69 microohmios. La primera resistencia insertada sería 0,40 ohmios (basado en la corriente máxima de diseño en un fallo = 6000 amperios, tensión máxima = 2400 voltios), por lo que la ecuación 2 implica que la resistencia del circuito 35 Therefore, in general, when shuttle electrode 335 is touching the two stator electrodes, the actual resistance should be calculated as a parallel line resistor. In the closed circuit condition in the on state, R2 >> R1 (because R2 includes resistor 332, the first of a series of inserted resistors); so most of the current passes through the low resistance line R1 and the total resistance Rtotal is only slightly less than the resistance through only this line. To make this concrete, consider the case of a normal voltage of 1200 volts, with a full normal load of 1200 amps, and a maximum heat loss based on the design in the on state due to ohmic losses (I2R) of 100 watts ; This requires that Rtotal in the case of closed circuit (on state) cannot be more than 69 microohms. The first resistance inserted would be 0.40 ohms (based on the maximum design current at a fault = 6000 amps, maximum voltage = 2400 volts), so Equation 2 implies that the circuit resistance
45 paralelo de la ecuación 2 solo sería un 0,017 % menor que la conexión sencilla a través de una sola línea resistiva (R1). Obsérvese, sin embargo que, en conmutaciones posteriores, por ejemplo, cuando hay líneas paralelas disponibles a través de los electrodos de estátor 323 y 324, la corriente se divide de manera más uniforme entre las líneas paralelas, aunque incluso en este caso la mayor parte de la corriente fluirá a través de la línea menos resistiva a través del electrodo 323. The parallel of equation 2 would only be 0.017% less than the simple connection through a single resistive line (R1). Note, however, that in subsequent switching, for example, when parallel lines are available through the stator electrodes 323 and 324, the current is more evenly divided between the parallel lines, although even in this case most of the current will flow through the least resistive line through electrode 323.
Durante la conmutación, el área de contacto entre el electrodo de lanzadera 335 y el electrodo de estátor 331 tiende a cero, y la resistencia a través de R1 aumenta hasta que se supera R2, justo antes de la conmutación (debido a que la resistencia de contacto escala con 1/(área de contacto)). Graduando la resistividad de los bordes traseros del electrodo de lanzadera 335 y del electrodo de estátor 331, puede obligarse a la conmutación deseada a ocurrir During the switching, the contact area between the shuttle electrode 335 and the stator electrode 331 tends to zero, and the resistance across R1 increases until R2 is exceeded, just before the switching (because the resistance of contact scale with 1 / (contact area)). By graduating the resistivity of the rear edges of the shuttle electrode 335 and the stator electrode 331, the desired switching may occur to occur
55 mucho antes de que los dos electrodos pierdan el contacto entre sí. En este caso, una parte de salida semiconductora del electrodo de lanzadera 335 se proporciona por el enchufe de transición 312. 55 long before the two electrodes lose contact with each other. In this case, a semiconductor output part of the shuttle electrode 335 is provided by the transition plug 312.
A medida que la lanzadera de conmutación 310 se mueve hacia la derecha desde la posición inicial de la figura 8, también habrá una línea de corriente eléctrica a través del enchufe de transición 312 hasta una secuencia de electrodos de estátor (321, 322, 323, y 324). Esto significa que en algunos puntos durante la apertura del disyuntor habrá líneas eléctricas a través de tres electrodos de estátor diferentes, siendo las conexiones de más a la izquierda a través del enchufe de transición semiconductor 312. Cuando el electrodo de lanzadera 335 deja el contacto con el electrodo de estátor 321, hay un aumento repentino de la resistencia a través de 321 y 331 a medida que la corriente a través de esta línea pasa a continuación a través del enchufe de transición 312 después de que se separen los 65 electrodos de metal 335 y 321, lo que conmuta rápidamente la corriente a la línea a través de R2, pero mucho más As the switching shuttle 310 moves to the right from the initial position of Figure 8, there will also be an electric current line through the transition plug 312 to a sequence of stator electrodes (321, 322, 323, and 324). This means that at some points during the opening of the circuit breaker there will be power lines through three different stator electrodes, the leftmost connections being through the semiconductor transition plug 312. When the shuttle electrode 335 leaves contact with the stator electrode 321, there is a sudden increase in resistance across 321 and 331 as the current through this line then passes through the transition plug 312 after the 65 metal electrodes 335 are separated and 321, which quickly switches the current to the line through R2, but much more
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